太陽能電池最大功率跟蹤芯片的設計與實現(xiàn)

【摘要】：當今世界,全球經(jīng)濟迅猛發(fā)展,特別是作為發(fā)展中國家的中國,工業(yè)化程度越來越高,對能源的需求也越來越大。然而,傳統(tǒng)能源日漸枯竭,同時,消耗傳統(tǒng)能源所產(chǎn)生的環(huán)境問題也日益凸顯,因此,利用太陽能等可再生的清潔能源便成為了當今時代的主題。 由于太陽能電池工作在室外,其工作狀態(tài)受環(huán)境及負載的影響十分劇烈。針對太陽能電池的這一工作特點,最大功率跟蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT)技術應運而生。傳統(tǒng)的MPPT技術應用于整個太陽能電池陣列之后,稱之為集總式MPPT結構。但當陣列中的局部電池板受到遮擋,或是各電池板由于老化等原因造成不匹配時,陣列的輸出功率將會明顯下降,同時局部熱斑和隱裂等問題更是成為威脅陣列系統(tǒng)安全的潛在隱患。為了解決上述問題,分布式最大功率跟蹤(DMPPT)結構被提出,并得到了快速發(fā)展。 本論文在研究各種MPPT技術的基礎上,結合DMPPT結構自身的特點,設計了一款可用于太陽能電池陣列DMPPT的芯片,并給出了其應用電路(即MPPT控制器)。芯片采用改進型的擾動觀察法,內(nèi)部集成最大功率跟蹤電路所需各模塊,輸出PWM信號,控制外部DC/DC電路實現(xiàn)負載的等效變換,實現(xiàn)最大功率跟蹤的功能。 本課題所設計的DMPPT芯片及控制器相較于已有MPPT控制器,其優(yōu)勢在于： 1.芯片采用模擬電路實現(xiàn),系統(tǒng)規(guī)模小,元器件數(shù)量少,版圖面積小,成本低。 2.芯片采用與負載無關的改進型擾動觀察法,能針對不同負載、不同環(huán)境下的最大功率點,實現(xiàn)快速和精確的跟蹤。 3.系統(tǒng)采用PWM+burst雙模技術,實現(xiàn)系統(tǒng)功率的穩(wěn)定、高效輸出；同時結合電壓環(huán)閉環(huán)負反饋控制,大大降低了DMPPT結構中不同電池模塊間的相互干擾。 4.芯片內(nèi)部集成各種保護、報警電路,可靠性高；同時,系統(tǒng)可集成到太陽能電池板后的接線盒中,降低DMPPT系統(tǒng)因二次安裝帶來的額外成本。 此DMPPT芯片采用CSMC0.5μm混合信號CMOS工藝流片制造,仿真及測試結果表明,芯片的各項指標達到了設計要求,能夠實現(xiàn)最大功率跟蹤的功能。 【關鍵詞】：太陽能電池陣列 MPPT控制器 分布式最大功率跟蹤 模擬集成電路 DC/DC變換器
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-7
• 縮略詞表7-8
• 目錄8-10
• 1 緒論10-20
• 1.1 課題背景及意義10-12
• 1.1.1 光伏發(fā)電概述10-11
• 1.1.2 最大功率跟蹤技術11-12
• 1.2 MPPT國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-18
• 1.2.1 MPPT算法研究12-14
• 1.2.2 MPPT拓撲研究——集總式與分布式(DMPPT)14-16
• 1.2.3 MPPT芯片及MPPT控制器研究16-18
• 1.3 本文研究的內(nèi)容18-20
• 2 MPPT控制器的系統(tǒng)結構及分析20-46
• 2.1 太陽能電池的輸出特性20-25
• 2.1.1 太陽能電池的工作原理20-21
• 2.1.2 太陽能電池的等效電路模型與輸出特性21-23
• 2.1.3 部分遮蔽對太陽能電池陣列的影響23-25
• 2.2 MPPT控制器的系統(tǒng)結構及算法分析25-29
• 2.2.1 MPPT控制器的系統(tǒng)結構25-27
• 2.2.2 MPPT算法分析27-29
• 2.3 MPPT控制器的系統(tǒng)穩(wěn)定性分析29-37
• 2.3.1 反饋環(huán)路的分析計算及補償29-34
• 2.3.2 實際應用中的非理想因素對MPPT控制器環(huán)路的影響34-37
• 2.4 MPPT控制器在DMPPT結構中的分析37-46
• 2.4.1 MPPT控制器在DMPPT結構中的靜態(tài)特性分析37-41
• 2.4.2 MPPT控制器在DMPPT結構中的動態(tài)特性分析41-46
• 3 DMPPT芯片的電路結構及設計46-78
• 3.1 DMPPT芯片電路的設計綜述46-47
• 3.2 反饋控制模塊的電路設計47-54
• 3.2.1 誤差放大器47-49
• 3.2.2 鋸齒波比較器49-50
• 3.2.3 RS觸發(fā)器模塊50-53
• 3.2.4 驅動電路53-54
• 3.3 MPPT算法模塊的電路設計54-65
• 3.3.1 電壓電流轉換電路與電流檢測放大電路54-57
• 3.3.2 模擬乘法器57-60
• 3.3.3 低失調(diào)比較器60-62
• 3.3.4 MPPT算法電路與參考電壓擾動電路62-63
• 3.3.5 采樣時鐘產(chǎn)生電路63-65
• 3.4 輔助功能模塊的電路設計65-78
• 3.4.1 帶隙基準源電路65-68
• 3.4.2 ico振蕩器電路68-69
• 3.4.3 burst模式電路69-73
• 3.4.4 差錯重啟電路73-75
• 3.4.5 過溫保護電路75-76
• 3.4.6 其它輔助電路76-78
• 4 DMPPT芯片及控制器的仿真與測試78-102
• 4.1 MPPT控制器及芯片的系統(tǒng)仿真78-86
• 4.1.1 太陽能電池板的spectre建模78-80
• 4.1.2 MPPT控制器及芯片的系統(tǒng)仿真80-84
• 4.1.3 MPPT控制器的跟蹤精度仿真84-86
• 4.2 DMPPT 芯片的版圖設計86-88
• 4.3 MPPT控制器及芯片的系統(tǒng)測試88-102
• 4.3.1 DMPPT芯片的主要模塊測試88-93
• 4.3.2 MPPT控制器及芯片的系統(tǒng)測試93-102
• 5 總結與展望102-104
• 參考文獻104-108
• 作者簡歷及在學期間所取得的科研成果108

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